運動生物力學與傷害預防觀念須知

圖/文 特約作家 黃慶旻 Josh

參與馬拉松是一件讓人又愛又恨的事,愛的是跑完之後的成就感遠大於跑完當下的疲憊,恨的是隔天光是起床都必須用手輔助將腳慢慢搬下床,但身為跑者,沒有拒絕過馬場的誘惑考驗,總是心甘情願的將報名費用刷下去給它,然而,今天要談的是,如果搭配上生物力學的概念則是讓人望之卻步。希望透過一小篇文章,可以啟發更多人喜歡力學的概念,以及力學如何協助我們從力學角度減少傷害發生。

跑者地面作用力與膝蓋受傷起源:

我想我們都很清楚跑步過程中,地面反作用力居住在地球上的我們是無法避免,我們儘管可以透過鞋子或者練習赤足跑步,讓身體懂得避免更可能發生的受傷機率,當在長期使用的狀況下,很難清楚判斷真正受傷的起始點。

幸好有科學家整理出馬拉松跑者受傷的統計數據容我們參考,馬拉松受傷的部位根據Van Gent et al.(2007)等研究者認為7.2-50%在膝蓋位置是最常發生的,包含了髕腱疼痛症候群/髂脛束磨擦症候群/半月軟骨磨損,9.0-32.2%在小腿部位,包含了脛骨/阿基里斯腱/小腿/腳跟,5.7-39.3%在腳掌,3.4-38.1在大腿部位,包含腿後側肌群/大腿內側/股四頭肌。

猜測的是「為何膝蓋是最容易中的原因」(參考上圖)?

主因在於當腳踝著地時所有的力量經由反作用力傳回到膝蓋再到髖部,然而,腳踝與髖部往往扮演著跑者速度變快時,力矩改變(腳踝往前延伸與臀部往下踩)最明顯的時候,膝蓋則是負責傳遞力量的位置,且膝蓋前後肌肉“股四頭肌群與腿後側肌群”恰巧扮演著互相對抗的狀態,一個主動縮短,一個被動拉長,當兩者在穩健合作的情況下,那麼膝蓋所需要承受的負擔變相對減少。但如果有一方,因為肌肉疲勞的關係或者長期坐辦公室的關係,跑步所產生的膝蓋壓力便會自然提高!

步頻與步幅的原罪

蠻容易聽到馬拉松跑者跨大步幅就受傷的說法,然而,這樣的說法可以稍微修正為「光跑不練肌力的跑者只要想跨大步幅就容易產生肌腱過度拉扯而產生疲勞」。肌肉的合作關係應當處於合理的收縮範圍,想像如果一位跑者習慣坐著跑(身體重心壓的很低),那麼腿後側肌群便無法有效地伸展,又或者一位跑者故意用很彈跳的方式進行跑步,那麼大腿前側便無法有效地伸展。

重心刻意壓低的跑,大腿後側的肌肉長度被受限
重心刻意拉很高,大腿前側在落地瞬間無法有效地伸展。

因此,身為馬拉松跑者有效率地維持身體中心才是真正的關鍵,步幅與步頻會隨著參與馬拉松的時間後,身體自然會找到適合自己的速度。

根據文獻指出跑者在跑馬的過程中,步頻會在三年後逐漸變快,步幅會自然減小,然而,還是跟本身的身高與肌肉使用習慣會有相關性,步幅反倒是馬拉松跑者速度提升的關鍵!因為肌力不足時,往往跑者在跑馬的後段,步頻是可以持續維持的,步幅則會開始下降,因此,步幅在後段是速度維持的關鍵!

在馬拉松世界裡,步頻與步幅是我們熟知的評估自己跑步習慣的模式,但是,必須要強調「並沒有一個研究可以明確指出專心步頻好還是步幅好」,因為還必須考慮著地模式與每一條肌肉在配合跑步的過程中的使用習慣。

這裡也再一次利用文獻「提升步頻可以降低膝蓋在著地時的壓力負荷,降低步幅可以減少脛骨壓力症候群」Heiderscheit et al. (2011),卻絕對沒有提到跑者應該在何種方式下跑步。

著地模式與馬拉松跑者傷害:

根據影片分析,2014創下世界紀錄的 Dennis Kimetto是以腳跟著地, Wilson Kipsang與Haile Gebrselassie分別在2013與2007年也是世界紀錄前保持人,他們則是接近中足與前足著地模式。我們無法推斷哪一種方式才是最省力或者速度最好。

腳掌著地的瞬間也會是大腿前側與後側的肌肉作為地面反作用力傳遞到膝蓋互相對抗的過程。當著地模式越靠近腳跟時,自然會讓後側的肌肉提早產生拉扯,那麼主導的狀態會讓前側的肌肉主動將身體往前推,當著地模式越靠近腳尖時,自然會讓前側的肌肉提早產生拉扯,那麼主導的狀態會讓後側的肌肉主動吸收身體的重量。

兩者的差異,讓身體做出自然的優勢,亦就是說「著地模式會自然調整肌肉瞬間對抗地面反作用力的行為」,往往我們會喜歡說哪一種著地最好,可是,試著換個角度想想,不會因為改變著地模式就讓跑馬成績大幅提升,因為肌肉長度與關節角度是隨著運動模式培養出來的,我反倒喜歡說「強化自己的肌肉肌腱系統」會讓肌肉更懂得如何省力,像是利用彈力繩綁在固定點,手往下拉之後順勢往上跳。

這樣的練習可以自然修正腳掌接觸地面順間大腿前後側正確出力的模式,便不需要特別修正著地習慣。當然,著地模式也會與受傷風險有關,根據研究前腳掌著地比較容易產生阿基里斯腱炎,同時也會提高腳掌的蹠骨壓力,至於腳跟著地模式則比較容易產生膝蓋壓力,因此,髕骨疼痛症候群與膝蓋內外側的疼痛較為常見,同樣沒有特定研究說哪種模式是對馬拉松跑者最好的。

結語

馬拉松本身就是一場身體與心靈的挑戰,在歷經42.195的距離中,地面反作用力以及環境變化如風阻與溫度,都是會因為生理與生物力學條件的不斷地交替與流失,透過正確的訓練則可以協助跑者穩定的支撐身體重量,並且讓肌肉正確的施力給地面,訓練自己的協調性與腳掌對地面的反射機制,很快就可以讓身體懂得運用反作用力,讓肌肉可以在最佳化的收縮模式運動。

長期使用下傷害發生在所難免,每週給自己一到兩次的肌力訓練,一到兩次的復健療程(冰敷或者水療),找一位固定的物理治療師協助追蹤自己的狀態,那麼跑馬會越來越有信心!

文獻參考:

  1. Heiderscheit BC, Chumanov ES, Michalski MP, Wille CM, Ryan MB (2011) Effects of step rate manipulation on joint mechanics during running. Med Sci Sports Exerc 43(2):296–302.
  2. Thomas Stöggl and Tobias Wunsch.(2016) Biomechanics of Marathon Running. C. Zinner and B. Sperlich (eds.), Marathon Running: Physiology, Psychology, Nutrition and Training Aspects.
  3. Anatomy of agility: analysis of movement in sports by Frans Bosch (Author), Kevin Cook (Translator)